JPS61232675A - 多結晶薄膜トランジスタとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は非晶質基板上に形成された多結晶半導体薄膜を
素材とする薄膜トランジスタの構造と製造方法に関する
ものである。

従来技術とその問題点 液晶、薄膜発光素子を用いた画像表示装置や、アモルフ
ァス・シリコンを用いた光センサーの駆動に多結晶シリ
コン薄膜トランジスタが使用され始めている。これは、
例えば、ジャーナル・オン・アプライド・フィジックス
第５５巻１９８４年１５９０ページの「スイン−フィル
ム・トランジスタ・オン・モレキュラービーム・デボジ
ッテ、ド・ポリクリスタルライン・シリコンＪ（Ｔｏｗ
ｒｎａｌｏｆ　　ＡＩ）ｌ）ｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃ
ｓ　　５５　１５９０（１９８４））やエクステンプイ
ツト・アブストラクッ・オン・ザ・シックスティーンス
（１９８４インターナシヨナル）コンファレンス・オン
・ソリッド・ステート・デバイシズ・アンド・マテリア
ルズ、コーベ、１９８４　（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａ、ｂ
ｓｔｒａｃｔｓ　　ｏｆ　　ｔｈｅ１６ｔｈ　（１９８
４Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　）　０ｏｎｆｅｒ−ｅ
ｎｃｅ　　ｏｎ　　５ｏｌｉｄ　　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖ
ｉｃｅｓ　ａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ　　Ｋｏｂｅ　＋
　１９８４）中の５５５ページからの「セミトランスペ
アレント・メタル−８ｉ・エレクトローズ・フォ・ａ−
８ｔ：Ｈ・フォトダイオーズ・アンド・ゼア・アプリケ
ージ、ン・トウ・ア・コンタクト−タイプ・リニア・セ
ンサ・アレイ（’　Ｓｅｍ１ｔｒａｕｓｐａｒｅｎｔ　
Ｍｅｔａｌ−８ｉＥｌｅｃｔｎｇｄｅｓ　　ｆｏｒ　　
ａ−８ｉ　：ＲＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓａｎｄ　Ｔｈｅ
ｉｒ　ＡＩ）Ｉ）ｌｉｃａｔｉｏｎ　　ｔｏ　　ａ　Ｃ
ｏｎｔａｃｔ−ｔｙｐｅ　Ｌｉｎｅａｒ　　８ｅｎｓｏ
ｒ　ＡｒｒａＹ　″）や５６３ページからの「ハイ・ト
ランスコンダクタンス・８ｉ−ＴＦＴａ・ユージング・
Ｔ　ａ２０．フィルムス・アズ・ゲート・インシュレイ
ターズｊ（’ＨｉｇｈＴｒａｎｓｃｏｎｄｔ＋ｃｔ’ａ
ｎｃｅ　　Ｓｔ　−’Ｉ’ＦＴｈ　　ＵｓｉｎｇＴａ２
０５Ｆｉ１ｍｓ　ａｓ　Ｇａｔｅ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ
ｓ″）にみられる。

この多結晶シリコン薄膜トランジスタの動作速度を決め
るものは、キャリアの移動度であり、この移動度は、多
結晶薄膜中では、主に粒界散乱により、決まる。このた
め、多結晶薄膜中の結晶粒径が大きくなるに従い、粒界
散乱が減少すると移動度は大きくなる。そこで、十分な
動作速度をもつ薄膜トランジスタを得るためには結晶粒
径の大きな多結晶薄膜を得る必要がある。従来、多結晶
薄膜の結晶粒径の制御は、多結晶薄膜成長時の基板温度
によって行なわれていた。　　　　　。

しカ・しな妙Ｓら画像表示装置への応用などから、わか
る様に多結晶シリコン薄膜の形成は、大面積化が容易で
、安価なガラス基板上に行なわれることが望ましい。一
般の並ガラスの軟化点は６３０℃附近であり、多結晶薄
膜の成長は、この温度以下で行なわなければならない。

例えば、前出の１−スイン−フィルム・トランジスタ・
オン・モレキュラービームーデボジッテド・ポリクリス
タルライン・シリコンＪ　　（”Ｉ’ｈｆｎ−ｆＨｍ　
　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｏｎ　　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−
ｂｅａｍ−ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　　ｐｏｌｙ−ｃｒｙｓ
ｔａｌｌｉｍｅ　　５ｉｌｉｃｏｎ“）では、基板にガ
ラスを用いているため、６００℃において、多結晶シリ
コン薄膜を成膜している。

この様に、従来、多結晶成長時の基板温度がガラス基板
の軟化点という上限が存在するため、多結晶薄膜の結晶
粒径が限られ、結果として、移動度が限られるという欠
点を有していた。

発明の目的 本発明の目的は上記の欠点をなくした、移動度の大きな
トランジスタ特性を与える薄膜トランジスタ及びその製
造方法を提供することにある。

発明の・構成 本発明は絶縁物基板上に設けられた多結晶シリコン薄膜
を主要部とする多結晶薄膜トランジスタの構造において
、基板上に多結晶ゲルマニウム薄膜あるいは多結晶シリ
コン・ゲルマニウム薄膜ヲ設置し、その上に多結晶シリ
コン薄膜を設置し、その上に多結晶シリコン薄膜を設置
し、多結晶シリコン薄膜上に、相離れたソース領域上ド
レイン領を設け、２つの領域間に絶縁膜を設置し、絶縁
膜上にゲート電極、ソース領域上にンース鼠極、ドレイ
ン領域上にドレイン電極を設置することを特徴とする多
結晶薄膜トランジスタの構造である。

また、本発明は絶縁物基板上に形成された多結晶シリコ
シ薄膜を主要部とする多結晶薄膜トランジスタの製造方
法において、加熱された絶縁物基板上に多結晶ゲルマニ
ウム薄膜あるいけ多結晶シリコン・ゲルマニウム薄膜を
成長し、その後、表面がチャネル部分となる多結晶シリ
コン薄膜を、その上に成長させることを特徴とした多結
晶薄膜トランジスタの製造方法である。

発明の原理 本発明においては、加熱された非晶質基板上に多結晶ゲ
ルマニウム薄膜が成膜される。ゲルマニウムは結晶成長
温度がシリコンより低い。このため、同一の温度の非晶
質基板上に多結晶シリコン薄膜を成膜したときに較べ、
大きい結晶粒径の多結晶ゲルマニウム薄膜が得られる。

引き続き、こノ多結晶ゲルマニウム薄膜上に多結晶シリ
コン薄膜を成膜する。このとき、ゲルマニウムの格子定
数Ｆｉ５．６５７Ｘ、シリコンの格子定数は５．４３１
１と格子定数の不整合が小さいため、シリコン薄膜は、
下地の多結晶ゲルマニウム薄膜の結晶粒径をひき継いで
成長する。これにより、単に非晶質基板上に多結晶シリ
コン薄膜を設けたときよりも大きい結晶粒径をもつ、多
結晶シリコン薄膜が得られる。

このため移動度は、より太きくなっている。この、より
移動度の大きな多結晶シリコン薄膜表面に電界効果によ
りチャネルが形成される様、薄膜表面に絶縁膜をその上
にゲート電極を設ける。）ざらに、電流がチャネルに沿
って流れる様、チャネルの両端にソース領域ドレイン領
域、おのおのの領域上にソース電極、ドレイン電極を設
ける。この様に、ゲルマニウム薄膜上に設けられたシリ
コン薄膜にチャネルが形成される様な薄膜トランジスタ
の構造にすることにより、大きな移動度のトランジスタ
特性を得ることができる。

ゲＹ　、＝　ｔ）　″薄膜″′を用ｉへ場合・′ル゛゛
（力　　、　　　゛ ラムのエネルギー・ギャップは０．７５　ｅ　Ｖと小さ
く、温度による特性の変動が大きい。このため、ゲルマ
ニウム薄膜上に成膜したシリコン薄膜を薄膜トランジス
タのチャネルとして用いることが必要とされる。

しかし、ゲルマニウム簿膜は、エネルギー・ギャップも
小ざく、移動度も大きいため低抵抗である。このため、
ゲルマニウム薄膜上の多結晶シリコン薄膜を素材として
、薄膜トランジスタを形成した際、ソース領域とドレイ
ン領域間にゲルマニウム簿膜を通して、電流が流れる。

こりたｈｂ薄膜トランジスタのオフ電流がおさえられず
、大きなオン・オフ電流比がとれなくなる。

そこで、大きなオン・オフ電流比を得る必要がある場合
は、非晶質基板上にゲルマニウム′ｆ４ｉ腺ではなく、
より抵抗の大きなシリコン・ゲルマニウム薄膜を形成し
、その上に多結晶シリコン薄膜を成膜し、それを素材と
して、′ｆｄｉ膜トランジスタを形成することにより実
現される。

この様な、多結晶薄膜の製造方法として、反応炉中で加
熱された非晶質基板へゲルマニウムを含む化合物気体を
流す。この化合物気体は基板上で熱分解し、多結晶ゲル
マニウム薄膜が形成はれる。

多結晶シリコン・ゲルマニウム薄膜を得たい場合には、
ゲルマニウムを含む化合物気体とシリコンを含む化合物
気体を同時に流す。次にシリコンを含む化合物気体を流
し、同様にして多結晶シリコン薄膜を得ることができる
。

あるいけ、真空槽内で加熱された非晶質基板へ、ゲルマ
ニウムを蒸着することにより多結晶ゲルマニウム薄膜を
得ることができる。または、同時にシリコンを蒸着する
ことにより、多結晶シリコン・ゲルマニウム薄膜を得る
ことができる。次に、シリコンのみを蒸着し、この上に
多結晶シリコン薄膜を得ることができる。

この様にして得た多結晶ゲルマニウム薄膜上あるいけ、
多結晶シリコン・ゲルマニウム薄膜上に形成された多結
晶シリコン薄膜を素材として、薄膜トランジスタを作成
する。これ以後の薄膜トランジスタの製造方法について
は、以下の実施例で述べる。

実施例 多結晶ｈａをシリコンあるいはゲルマニウムを含む化合
物気体を分解することにより形成し、薄膜トランジスタ
を作製した例を述べる。作成した薄膜トランジスタの断
面図を第１図に示す。

洗浄しブζガラス基板１を反応炉に装漬し、６２０℃ま
で加熱した。次に、水素希釈した水素化ゲルマニウム（
Ｇ　ｅ　Ｈ４）を流しながら、反応炉中の圧力を１０　
ｔｏｒｒに保った。これにより２０００Ｘの多結晶ゲル
マニウム薄膜２を得る。

続いて、反応炉中の圧力を０．１ｔｏｒｒに設定し、水
素化シリコン（Ｓ　１Ｈ４）を流し、多結晶シリコン薄
膜を１００Ｘ程度、成長速度２０Ｘ／ｍｉｎで成長させ
る。この様に成長速度を一度低くした後、再び１０　ｔ
ｏｒｒの圧力にもどし、合計、多結晶シリコン薄膜を３
０００Ｘ得る。一度成長速度を下けることにより、多結
晶ゲルマニウム薄膜の結晶粒径を引き継ぐことができる
。

この後の薄膜トランジスタの製造工程を第２図にそって
述べる。第２図（ａ）に示す様にフォト・レジスト工程
により、多結晶薄膜を各素子に分離する。次に反応炉内
で４５０℃に加熱された基板に窒素希釈した、水素化シ
リコン（Ｓ　Ｉ　、Ｈ４）と酸素を常圧下で流すことに
より、５ｉ０２膜１０を６０００１形成した。この８ｉ
０□膜をフォト・レジスト工程により、一部とり来る。

次に第２図Ｉ（ｂ）に示す様に、リン・イオンを５０Ｋ
ｅＶで５　Ｘ　ｌ　０１５釧−２イオン注入し、ソース
領域４、ドレイン領域５を形成する。

８ｉ０．膜をとり去り、６００℃で１時間の熱処理を行
なう。次に上記と同様の方法で５ｆ０２膜６を１５００
！形成し、第２図（ｃ）に示す様に、フォト・レジスト
工程により、８１０２膜に穴開けを行なう。

終りにアルミニウムを真空蒸着し、フォト・レジこの様
にして得られた多結晶Ｎｐトランジスタの実効移動度は
１５α２／Ｖ−ｓｅｔであり、オン・オフ電流比１−１
１Ｘ１０４である。比較のために、ガラス基板上に多結
晶シリコン薄膜た゛けを５０００Ｘ成膜啼＼ し、同じ工程で作製した薄膜トランジスタについては、
実効移動度は３ｃｍ”／Ｖ・Ｂｅｅ程度であり、改善さ
れているのがわかる。

けじめの多結晶ゲルマニウム薄膜を成膜する代わりに、
水崇希釈した水素化ゲルマニウム（ＧａＦ２）と同時に
水素化シリコン（８４Ｈ＋　）を流量比〔ＳｉＨ＋）／
　［：’Ｇｅ、Ｈ＋　：）　＝　２で流し、２０００Ｘ
の多結晶シリコン・ゲルマニウム薄膜を形成し、その後
、水素化シリコン（ＳｉＨ，）を流して、多結晶シリコ
ン薄膜を３０００Ｘ程度成膜した例を述べる。この成膜
の際、以前の実施例と同様、多結晶シリコン薄膜の成長
速度を一度２０Ｘ／ｍｉｎに下げている。

第２図と同様の工程により、作製した薄膜トランジスタ
では実効移動度は１０ｃｒｎ’／Ｖ−ｓｅｅ前後であり
、オン・オフ電流比は８　Ｘ　１０’程度である。

以前の実施例より、オン・オフ電流比は改善されている
。

次に、高真空中での方ラス基板への蒸着により成膜した
例を述べる。洗浄したガラス基板１を真空室に装着し、
６００℃に基板温度を保った。次にｔａ 電子銃を用いて、ゲルマニウムを２００ＯＡ、ガラス基
板上に蒸着した。このとき、真空度は５〜９Ｘ　１０　
’ｔｏｒｒ　テ’ｊｂ　’）、１０Ｘ／８ｅｃで行なわ
れた。

この後、１−Ｘ／ｓｅｅのゆっくりした蒸着速度で２Ｘ
ＩＯ″ｔｏｒｒの真空度で１００秒間シリコンを蒸着す
る。この後、蒸着速度１０Ｘ／ｓｅｅの蒸着速度にもど
して、６　Ｘ　１０′ｔｏｒｒの真空度で合計３０００
１の多結晶シリコン薄膜を成膜した。この様に、一度、
成長速度を下げることにより、多結晶ゲルマニウム薄膜
の結晶粒径を引き継いで多結晶シリコン薄膜が成長する
。

この後、第２図と同様の工程により、薄膜トランジスタ
を作製した。このときの実効移動度は２０υＶ■・Ｂｅ
Ｑ　ｚオン・オフ電流比は２　Ｘ　１０４であった。

ガラス基板へ、シリコンを５０００Ｘ蒸着した薄膜を用
いて、作成した薄膜トランジスタの実効移動度け５３７
Ｖ・Ｓｅｅであり、改善されているのがわかる。

同様に、ガラス基板上へ多結晶シリコン・ゲルマニウム
薄膜を蒸着し、その上に多結晶シリコン薄膜を蒸着した
例を述べる。多結晶シリコン・ゲルマニウム薄膜を０８
〜１．３　Ｘ　１０−８ｔ、ｏｒｒの真空度でおよそ１
５Ｘ／ｓｅｅの連さで蒸着した。次にシリ　　　　　゛
コンをＩＸ／ｓｅｅの蒸着速度で真空度２　Ｘ　１０−
ｔＯｒ　ｒで、やはり１００Ｘ程度蒸着した後、１０Ｘ
、／　ｓｅｃの蒸着速度にもどして、真空速度６　Ｘ　
１０＝　ｔｏｒｒの真空度で、合計３０００λの多結晶
シリコン薄膜を成膜した。

その後、第２図の工程を通ｌ−て、薄膜トランジスタを
作製した。このときの実効移動度ｔｄ　１５ｃｍ２／■
・Ｓｅｅ　％オン・オフ電流比は８　Ｘ　１０’であっ
た。

同様に、オン・オフ電流比が改善されているのがわかる
。

発明の効果 上記の実施例で述べた様に、多結晶ゲルマニウム薄膜を
成膜した後に、多結晶シリコン薄膜を成膜し、薄膜トラ
ンジスタを作製することにより、より大きな実効移動度
の特性が得られた。ｔた、多結晶シリコン・ゲルマニウ
ム薄膜を用いることにより、実効移動度は多結晶ゲルマ
ニウム薄膜を用いたときに較べ、小さくなるがより大き
なオン・オフ電流比が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜トランジスタの構造の実施例を説
明するための断面図、第２図は、多結晶薄膜トランジス
タの製造工程を断面図を使って説明した図である。 １・・・ガラス基板、２・・・多結晶ゲルマニウム薄膜
、３・・・多結晶シリコン薄膜、４・・・リース領域、
５・・・ドレイン領域、６・・・ゲート酸化膜、７・・
・ソース電極、８・・・ドレイン電極、９・・・ゲート
電極、１０・・・８ｉ０．膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）絶縁物基板上に設けられた多結晶シリコン薄膜を主
   要部とする多結晶薄膜トランジスタの構造において、基
   板上に多結晶ゲルマニウム薄膜あるいは多結晶シリコン
   ・ゲルマニウム薄膜を設置しその上に多結晶シリコン薄
   膜を設置し、該多結晶シリコン薄膜上に相離れたリース
   領域とドレイン領域を設け、２つの領域間に絶縁膜を設
   置し、絶縁膜上にゲート電極、ソース領域上にソース電
   極、ドレイン領域上にドレイン電極を設置することを特
   徴とする多結晶薄膜トランジスタの構造。 ２）絶縁物基板上に形成された多結晶シリコン薄膜を主
   要部とする多結晶薄膜トランジスタの製造方法において
   、加熱された絶縁物基板上に多結晶ゲルマニウム薄膜あ
   るいは多結晶シリコン・ゲルマニウム薄膜を成長し、そ
   の後、表面がチャネル部分となる多結晶シリコン薄膜を
   、その上に成長させることを特徴とした多結晶薄膜トラ
   ンジスタの製造方法。